铁路隧道变截面空气动力学效应分析

程爱君，马伟斌( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081; 2高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081)



铁路隧道变截面空气动力学效应分析

程爱君1，2，马伟斌1，2
( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081; 2高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081)

摘要:通过分析隧道内瞬变压力、洞口微气压波与隧道长度、列车速度的关系，结合相近长度隧道的现场实测结果，得出了动车组以300和350 km/h速度通过一长度800 m隧道时隧道内瞬变压力界限值与洞口微气压波。分析结果表明，该隧道内变截面处断面面积由100 m2减为93 m2后，瞬变压力与微气压波能满足设计标准的要求。通过仿真计算进一步验证了分析结果。

关键词:高速铁路隧道变截面气动效应仿真实测

1　工程概况

一时速350 km高速铁路隧道全长800 m，为双线隧道，隧道净空面积为100 m2。在距隧道进口400 m处增设长度为8 m的套衬，其两端各设一段0～30 cm的渐变段，总长约10 m。施工完成后断面面积由原来的100 m2减为93 m2。由于隧道净空面积减小，需要对动车组通过变截面隧道的空气动力效应尤其是对隧道内瞬变压力及洞口微气压波的影响进行分析。

隧道横断面如图1所示。

图1隧道断面(单位: cm)

2　气动效应影响分析

2. 1洞口微气压波

根据中国铁道科学研究院“高速铁路气动效应试验研究”的研究成果，长度3 km以下隧道洞外20 m处微气压波基本与车速的3～4次方成正比，如图2( a)。结合理论分析，将不同长度隧道(断面面积100 m2及阻塞比为0. 11)洞口微气压波测试值均转化为空间立体角为3π/2后的数据，对现场试验数据做归一化处理，得出微气压波与隧道长度的关系，见图2( b)。

图2微气压波与行车速度、隧道长度的关系曲线

由图2( b)可知:当动车组分别以速度300，350和380 km/h通过时，洞口外20 m处微气压波＜50 Pa的隧道临界长度分别为5. 5，1. 6和1. 0 km，长度800 m的隧道(无套衬)，洞口外20 m处微气压波分别为20. 30，34. 97和47. 51 Pa。

该隧道长度与银岭头隧道(武广高铁，长977 m，无砟轨道)及李家湾隧道(郑武高铁，长822 m，无砟轨道)接近，隧道净空断面面积相同。动车组以速度310，350 km/h通过长度相近隧道时洞口微气压波测试值及换算为无缓冲结构后洞口微气压波如表1所示。

根据洞外点微气压波压力与到达隧道出口的压缩波的关系可得距洞口r处的微气压波压力Pr，max为

式中: ( dP /dt)EX，max为出口处压力随时间的变化率; S为隧道的有效面积;Ω为反映出口地形条件的空间立体角; C为标准声速;ρ0为空气标准密度; U为列车进洞速度;τ为反应压力上升时间的参数; d为隧道的水力直径; R为阻塞比; M为马赫数。

该隧道增设套衬后，按隧道全长范围内净空面积均变为93 m2的最不利情况考虑，由公式( 1)换算得到洞口微气压波，见表2。

表2隧道净空断面积变小后各隧道洞外20 m处微气压波换算值

综上分析可知，该隧道内加10 m套衬后，动车组以速度310，350，380 km/h通过时洞口微气压波小于标准值( 50 Pa，20 m处)。

2. 2瞬变压力影响分析

根据文献［1］，不同隧道瞬变压力临界值(车内压力3 s变化极值达到1. 25 kPa对应的瞬变压力)与隧道长度关系包络曲线如图3所示。可知:隧道内瞬变压力临界值随隧道长度的增加而减小;对于CRH2动车组，当隧道长度为0. 5，1. 0 km时瞬变压力临界值分别超过6. 80，5. 90 kPa。对于800 m长隧道(无套衬)，隧道内瞬变压力临界值为6. 25 kPa。

图3隧道内瞬变压力临界值与隧道长度的关系包络曲线

不同动车组速度下隧道内瞬变压力( 3 s变化极值)随隧道长度变化曲线如图4所示。

图4不同速度下瞬变压力随隧道长度变化曲线

由图4可知，动车组分别以250，300和350 km/h速度通过时，长度800 m的隧道内瞬变压力分别为2. 63，3. 77和5. 11 kPa，瞬变压力均＜6. 25 kPa，能够满足要求。

已有研究表明，列车进洞时产生的压缩波波形P如下

根据式( 2)可知列车进洞时产生的压缩波最大值Pmax为

根据式( 3)计算出动车组通过时，截面净空面积93 m2隧道内瞬变压力为截面净空面积100 m2的1. 037倍，由此计算出动车组通过长度相近隧道时洞内瞬变压力值，见表3。

表3动车组通过时长度相近隧道瞬变压力值

由表3可知，当隧道净空面积由100 m2减为93 m2后，动车以300，350 km/h通过本隧道时，瞬变压力值分别为3. 91，5. 30 kPa，均低于隧道内瞬变压力临界值( 6. 25 kPa)，满足要求。

3　仿真分析

采用三维模型对CRH2动车组以不同速度通过时隧道内瞬变压力进行计算。所建模型的隧道横断面面积均为100 m2，与现场所测隧道实际横断面面积相同。隧道气动效应仿真计算模型如图5所示。图6为车头刚驶入隧道、车头刚驶出隧道时隧道内瞬变压力云图。

图6隧道内瞬变压力云图

通过CFX数值仿真计算，动车组从驶入隧道到驶出隧道期间压力波在隧道内传播的整个过程如图7所示。

图7动车组驶入驶出隧道期间压力波在隧道内的传播过程(隧道内监测值)

动车组通过隧道时瞬变压力实测值与计算值的对比如图8所示。

图8动车组通过隧道时瞬变压力实测值与计算值对比

由图8可看出，该隧道内瞬变压力计算最大值与实测值误差在10%以内，且计算波形与实测波形基本相同，表明模型计算结果合理，精度能满足瞬变压力计算精度要求。计算结果表明，距洞口400 m处10 m长隧道净空面积由100 m2变为93 m2后，动车组以300，350 km/h通过隧道时，瞬变压力值分别由3. 28，4. 54变为3. 43，4. 68 kPa，均低于隧道内瞬变压力临界值，满足要求。

4　结论

依据相近长度隧道的现场实测数据，结合仿真计算，从隧道内瞬变压力和洞口微气压波两个角度分析，该隧道内400 m处存在10 m长的变截面区段时，隧道气动效应能满足要求。

参考文献

［1］中国铁道科学研究院．京沪高速铁路综合试验研究分报告之八——高速铁路气动效应试验研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2011．

［2］OZAWA S，MAEDA T，MATSUMURA T，et al．On the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels［C］/ /Haerter A．Proceeding of 7th Symp．Amsterdam: Elsevier Science Publishers Ltd．，1991: 253-256．

［3］OZAWA S，TANEMOTO K，MAEDA T．Model Experiments on Devices to Reduce Perssure Wave［R］．Japan: Railway Technical Research Institute，1976．

［4］SATORUO，TATSUOM．Tunnel Entrance Hoods for Reduction of Micro-pressure Wave［J］．Quarterly Report of Railway Technical Research Institute of Japanese National Railways，1988，29( 3) : 134-139．

［5］马伟斌，张千里，刘艳青．中国高速铁路隧道气动效应研究进展［J］．交通运输工程学报，2012，12( 4) : 25-32．

(责任审编李付军)

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本刊编辑部

Analysis of aerodynamics effect in changeable cross-section tunnel

CHENG Aijun1，2，MA Weibin1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:T hrough analyzing the relationship between the transient pressure inside tunnel，the tunnel entrance micropressure wave and the tunnel length，the train speed，the transient pressure limit value inside tunnel and entrance micro pressure wave was obtained by combining with the field test results of the tunnels with similar length when EM U passed through 800 m tunnel with running speed of 300 km /h and 350 km /h．T he results show that transient pressure and micro-pressure wave can meet the requirements of design standards when the variable section area inside tunnel was reduced from 100 m2to 93 m2．T he analysis results were verified by the simulation calculation．

Key words:High speed railway; T unnel; Variable section; Aerodynamic effect; Simulation; M easurement

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0033-05

中图分类号:TU375．4

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．07

作者简介:程爱君( 1974—)，男，副研究员，硕士。

收稿日期:2015-11-28;修回日期: 2015-12-10